DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84114-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39748020
تاريخ النشر: 2025-01-02
المؤلف: Fatemeh Lotfigolsefidi وآخرون
الموضوع الرئيسي: الميكروبلاستيك وتلوث البلاستيك
نظرة عامة
تبحث هذه الدراسة في فعالية *Chlorella vulgaris* (C. vulgaris) في إزالة الميكروبلاستيك من البوليسترين (PS) من البيئات المائية، مما يبرز الحاجة الملحة لاستراتيجيات إزالة فعالة بسبب المخاطر البيئية التي تشكلها الميكروبلاستيك. باستخدام نهج تصميم Box-Behnken (BBD)، درست الدراسة تأثير معلمات مختلفة، بما في ذلك تركيزات PS الأولية (100 إلى 900 ملغ/لتر)، مستويات pH (4 إلى 10)، أوقات التفاعل (20 إلى 40 دقيقة)، وجرعات C. vulgaris (50 إلى 400 ملغ/لتر). أظهرت النتائج أن النموذج شبه المثالي (QM) قدم أفضل ملاءمة للبيانات، كاشفًا عن الظروف المثلى لإزالة PS: مستوى pH قدره 7.5، مدة تفاعل قدرها 31.90 دقيقة، جرعة C. vulgaris قدرها 274.05 ملغ/لتر، وتركيز PS قدره 789.37 ملغ/لتر، محققًا كفاءة إزالة قصوى قدرها 73.01%.
كما أوضحت الدراسة الآليات الكامنة وراء إزالة PS، موضحة أن الكتل البيولوجية تشكلت من خلال الامتصاص والتفاعلات الجسرية بين جزيئات الميكروبلاستيك وخلايا الطحالب. أكدت صور المجهر الإلكتروني الماسح (SEM) هذه التفاعلات، بينما أشارت قياسات الجهد الكهربائي (ZP) إلى قيم قدرها -18.93 مللي فولت لـ PS و-15.17 مللي فولت للكتل المتكونة. أظهرت بيانات تشتت الضوء الديناميكي (DLS) زيادة في حجم الكتل من متوسط قطر قدره 328.40 ميكرومتر لـ PS إلى 377.44 ميكرومتر خلال عملية التكتل. تؤكد هذه النتائج على إمكانية استخدام C. vulgaris كبديل مستدام وصديق للبيئة للمواد الكيميائية التقليدية، مما يوفر حلاً قابلاً للتطبيق للتخفيف من تلوث الميكروبلاستيك في أنظمة المياه.
مقدمة
تناقش مقدمة ورقة البحث تأثير عوامل مختلفة على كفاءة إزالة البوليسترين (PS) باستخدام الطحالب الدقيقة *Chlorella vulgaris*. تشمل المعلمات الرئيسية التي تم تحليلها تركيز PS الأولي، وقت التفاعل، مستوى pH، وجرعة الطحالب، مع الاحتفاظ بجميع المتغيرات الأخرى ثابتة لعزل التأثيرات الفردية. ومن الجدير بالذكر أن مستوى pH قدره 10 حقق أعلى معدل إزالة قدره 62%، والذي يُعزى إلى آليات مثل التكتل الجارف وزيادة التفاعلات الكهروستاتيكية بسبب سلوك المجموعات الوظيفية المعتمدة على pH على الكتلة الحيوية للطحالب. تزيد مستويات pH الأعلى من الشحنة السطحية السلبية لخلايا الطحالب، مما يسهل الربط الأفضل مع جزيئات الميكروبلاستيك المشحونة سلبًا ويعزز تكوين الكتل من خلال إنتاج المواد البوليمرية خارج الخلوية (EPS).
تسلط الدراسة أيضًا الضوء على أن زيادة تركيز PS من 100 إلى 900 ملغ/لتر تعزز بشكل كبير كفاءة الإزالة، حيث ترتفع من 34% إلى 60%. يرتبط هذا التحسن بزيادة تكرار تصادم الجزيئات، مما يعزز التفاعلات بين خلايا الطحالب وجزيئات PS. بالإضافة إلى ذلك، فإن تمديد وقت التفاعل من 20 إلى 40 دقيقة يعزز كفاءة الإزالة بمقدار حوالي 43%، على الرغم من أن الخلط المطول قد يؤدي إلى تفكك الكتل. تشمل الظروف المثلى المحددة لتحقيق أقصى كفاءة إزالة قدرها 73.11% مستوى pH قدره 9.40، ووقت خلط قدره 39.90 دقيقة، وجرعة *C. vulgaris* قدرها 50 ملغ/لتر، وتركيز PS قدره 613.265 ملغ/لتر، مما يظهر تكرارية عالية للطريقة مع انحراف نسبي أقل من 2%.
الطرق
توضح قسم “المواد والطرق” تصميم التجربة والإجراءات المستخدمة في الدراسة. يتفصل في المواد المحددة المستخدمة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، أدوات، أو تقنيات كانت جزءًا لا يتجزأ من البحث. يتم وصف المنهجية بطريقة خطوة بخطوة، مما يضمن إمكانية تكرار التجارب. يتضمن هذا القسم أيضًا معلومات عن أحجام العينات، الضوابط، والتحليلات الإحصائية المطبقة لتفسير البيانات.
تُبرز النتائج الرئيسية المستمدة من الطرق المستخدمة، مما يؤكد موثوقية وصلاحية النتائج. قد يتناول القسم أيضًا أي قيود أو اعتبارات ذات صلة بالمنهجية، مما يضمن إمكانية تقييم البحث بشكل نقدي والبناء عليه في الدراسات المستقبلية. بشكل عام، يعد هذا القسم مكونًا أساسيًا من البحث، حيث يوفر وضوحًا حول كيفية إجراء الدراسة والأسباب وراء الطرق المختارة.
النتائج
يقدم قسم النتائج نتائج الدراسة، مسلطًا الضوء على النتائج الرئيسية وآثارها. تكشف التحليلات عن ارتباطات كبيرة بين المتغيرات قيد التحقيق، مع مؤشرات إحصائية تشير إلى قيمة p أقل من 0.05، مما يشير إلى أن النتائج ذات دلالة إحصائية. بالإضافة إلى ذلك، تُظهر البيانات اتجاهًا واضحًا في الظواهر الملاحظة، مما يدعم الفرضيات الأولية المقترحة في الدراسة.
علاوة على ذلك، تتناول المناقشة آثار هذه النتائج، موضحة سياقها ضمن الأدبيات الحالية. تسهم النتائج في فهم أعمق للموضوع، مشيرة إلى مسارات محتملة للبحث المستقبلي. يؤكد المؤلفون على أهمية هذه النتائج في تعزيز المعرفة في هذا المجال ويقترحون تطبيقات عملية بناءً على العلاقات الملاحظة.
المناقشة
في هذه الدراسة، تم التحقيق في كفاءة *Chlorella vulgaris* (C. vulgaris) في إزالة الميكروبلاستيك من البوليسترين (PS) من المياه. استخدمت الدراسة ظروف تجريبية متنوعة، بما في ذلك تركيزات PS الأولية، مستويات pH، أوقات التفاعل، وجرعات C. vulgaris، لتحسين إزالة PS. تم تحديد أن النموذج التربيعي (QM) هو الأنسب لتحليل البيانات، حيث يلتقط العلاقات غير الخطية والتفاعلات بين المتغيرات. كانت أعلى كفاءة إزالة PS المسجلة 74.62%، والتي تحققت تحت ظروف محددة من pH 7.5، ووقت تفاعل قدره 31.90 دقيقة، وجرعة C. vulgaris قدرها 274.05 ملغ/لتر، وتركيز PS قدره 789.37 ملغ/لتر.
تم استخدام تقنيات التوصيف مثل FTIR، FESEM، وDLS لتحليل التفاعلات بين C. vulgaris وجزيئات PS. أشارت نتائج FTIR إلى تحولات كبيرة في نطاقات الامتصاص بعد الامتصاص، مما يشير إلى تفاعلات كيميائية بين الطحالب الدقيقة وPS. كانت قيم الجهد الكهربائي (ZP) لـ PS والكتل المتكونة -18.93 مللي فولت و-15.17 مللي فولت، على التوالي، مما يشير إلى تشتت مستقر. أظهرت قياسات DLS زيادة في متوسط قطر الكتل البيولوجية من 328.40 ميكرومتر إلى 377.44 ميكرومتر خلال عملية التكتل، مما يبرز التجميع الفعال لجزيئات PS الذي تسهله C. vulgaris. تؤكد النتائج على إمكانية استخدام الطحالب الدقيقة كبديل مستدام وصديق للبيئة لمعالجة تلوث الميكروبلاستيك في البيئات المائية. يجب أن تستكشف الأبحاث المستقبلية دور الطحالب الدقيقة الحية وتفاعلاتها الأيضية في تعزيز كفاءة إزالة PS.
القيود
تقدم الدراسة عدة قيود قد تؤثر على إمكانية تعميم نتائجها. بشكل أساسي، ركزت على استخدام *Chlorella vulgaris* غير الحية لإزالة الميكروبلاستيك (MPs)، مما أهمل المساهمات البيولوجية المحتملة للطحالب الحية، بما في ذلك أنشطتها الأيضية وتفاعلاتها مع MPs. يحد هذا التركيز من الرؤى حول الدور البيئي الكامل الذي قد تلعبه أنظمة الطحالب الحية في معالجة الميكروبلاستيك.
علاوة على ذلك، تم إجراء التجارب تحت ظروف مختبرية محكومة، والتي قد لا تعكس بدقة تعقيدات البيئات المائية الطبيعية. يمكن أن تؤثر عوامل مثل المجتمعات الميكروبية المتنوعة، الظروف الفيزيائية والكيميائية المتغيرة، ووجود ملوثات إضافية في البيئات الواقعية بشكل كبير على فعالية عملية إزالة الميكروبلاستيك. أخيرًا، تسلط الدراسة الضوء على الحاجة إلى مزيد من البحث لتقييم قابلية التوسع والجدوى لهذه الطريقة للتطبيقات واسعة النطاق في النظم البيئية الطبيعية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-024-84114-8
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/39748020
Publication Date: 2025-01-02
Author(s): Fatemeh Lotfigolsefidi et al.
Primary Topic: Microplastics and Plastic Pollution
Overview
This research investigates the efficacy of *Chlorella vulgaris* (C. vulgaris) in removing polystyrene (PS) microplastics from aquatic environments, highlighting the pressing need for effective removal strategies due to the ecological risks posed by microplastics. Utilizing a Box-Behnken Design (BBD) approach, the study examined the influence of various parameters, including initial PS concentrations (100 to 900 mg/L), pH levels (4 to 10), reaction times (20 to 40 minutes), and C. vulgaris dosages (50 to 400 mg/L). The results indicated that the Quasi-Model (QM) provided the best fit for the data, revealing optimal conditions for PS removal: a pH of 7.5, a reaction duration of 31.90 minutes, a C. vulgaris dosage of 274.05 mg/L, and a PS concentration of 789.37 mg/L, achieving a maximum removal efficiency of 73.01%.
The study further elucidated the mechanisms underlying PS removal, demonstrating that biological flocs formed through absorption and bridging interactions between microplastic particles and algal cells. Scanning Electron Microscopy (SEM) images confirmed these interactions, while Zeta Potential (ZP) measurements indicated values of -18.93 mV for PS and -15.17 mV for the formed flocs. Dynamic Light Scattering (DLS) data showed an increase in floc size from an average diameter of 328.40 μm for PS to 377.44 μm during flocculation. These findings underscore the potential of C. vulgaris as a sustainable and eco-friendly alternative to traditional chemical coagulants, offering a viable solution to mitigate microplastic pollution in water systems.
Introduction
The introduction of the research paper discusses the impact of various factors on the removal efficiency of polystyrene (PS) using the microalga *Chlorella vulgaris*. Key parameters analyzed include initial PS concentration, reaction time, pH, and algal dosage, with all other variables held constant to isolate individual effects. Notably, a pH level of 10 yielded the highest removal rate of 62%, attributed to mechanisms such as sweep flocculation and enhanced electrostatic interactions due to the pH-dependent behavior of functional groups on algal biomass. Higher pH levels increase the negative surface charge of algal cells, facilitating better binding with negatively charged microplastic particles and promoting floc formation through the production of extracellular polymeric substances (EPS).
The study also highlights that increasing PS concentration from 100 to 900 mg/L significantly enhances removal efficiency, rising from 34% to 60%. This improvement is linked to increased particle collision frequency, which enhances interactions between algal cells and PS particles. Additionally, extending the reaction time from 20 to 40 minutes further boosts removal efficiency by approximately 43%, although prolonged mixing may lead to floc disintegration. The optimal conditions identified for achieving peak removal efficiency of 73.11% include a pH of 9.40, a mixing time of 39.90 minutes, a *C. vulgaris* dosage of 50 mg/L, and a PS concentration of 613.265 mg/L, demonstrating the method’s high repeatability with a relative deviation of less than 2%.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design and procedures employed in the study. It details the specific materials used, including any reagents, instruments, or technologies that were integral to the research. The methodology is described in a step-by-step manner, ensuring reproducibility of the experiments. This section also includes information on sample sizes, controls, and statistical analyses applied to interpret the data.
Key findings derived from the methods employed are highlighted, emphasizing the reliability and validity of the results. The section may also address any limitations or considerations relevant to the methodology, ensuring that the research can be critically evaluated and built upon in future studies. Overall, this section serves as a foundational component of the research, providing clarity on how the study was conducted and the rationale behind the chosen methods.
Results
The results section presents the findings of the study, highlighting key outcomes and their implications. The analysis reveals significant correlations between the variables under investigation, with statistical tests indicating a p-value of less than 0.05, suggesting that the results are statistically significant. Additionally, the data demonstrate a clear trend in the observed phenomena, supporting the initial hypotheses proposed in the study.
Furthermore, the discussion elaborates on the implications of these findings, contextualizing them within existing literature. The results contribute to a deeper understanding of the subject matter, indicating potential avenues for future research. The authors emphasize the importance of these findings in advancing knowledge in the field and suggest practical applications based on the observed relationships.
Discussion
In this study, the efficiency of *Chlorella vulgaris* (C. vulgaris) in removing polystyrene (PS) microplastics from water was investigated. The research utilized various experimental conditions, including initial PS concentrations, pH levels, reaction times, and C. vulgaris dosages, to optimize PS removal. The quadratic model (QM) was determined to be the most suitable for analyzing the data, capturing non-linear relationships and interactions among variables. The highest PS removal efficiency recorded was 74.62%, achieved under specific conditions of pH 7.5, a reaction time of 31.90 minutes, a C. vulgaris dosage of 274.05 mg/L, and a PS concentration of 789.37 mg/L.
Characterization techniques such as FTIR, FESEM, and DLS were employed to analyze the interactions between C. vulgaris and PS particles. FTIR results indicated significant shifts in absorption bands post-adsorption, suggesting chemical interactions between the microalgae and PS. The Zeta potential (ZP) values for PS and the formed flocs were -18.93 mV and -15.17 mV, respectively, indicating stable dispersion. DLS measurements showed an increase in the average diameter of biological flocs from 328.40 μm to 377.44 μm during the flocculation process, highlighting the effective aggregation of PS particles facilitated by C. vulgaris. The findings underscore the potential of using microalgae as a sustainable and environmentally friendly alternative for addressing microplastic pollution in aquatic environments. Future research should explore the role of living microalgae and their metabolic interactions in enhancing PS removal efficiency.
Limitations
The study presents several limitations that may affect the generalizability of its findings. Primarily, it concentrated on the use of abiotic *Chlorella vulgaris* for the removal of microplastics (MPs), thereby neglecting the potential biological contributions of living algae, including their metabolic activities and interactions with MPs. This focus limits insights into the full ecological role that living algal systems might play in microplastic remediation.
Moreover, the experiments were conducted under controlled laboratory conditions, which may not accurately reflect the complexities of natural aquatic environments. Factors such as diverse microbial communities, varying physicochemical conditions, and the presence of additional pollutants in real-world settings could significantly influence the effectiveness of the microplastic removal process. Lastly, the study highlights the need for further research to assess the scalability and feasibility of this approach for large-scale applications in natural ecosystems.